Systemy oświetleniowe - Dimmery cz. III

Wiemy już co nieco o zasadzie ściemniania, o rozpraszaniu ciepła, skategoryzowaliśmy sobie też dimmery pod względem wielkości czy też mobilności. Wiemy też dobrze, że dimmery tyrystorowe i triakowe to nie „ósmy cud świata” i swoje wady mają, i to całkiem sporo.

Wystarczy wymienić „produkowanie” zniekształconego napięcia zasilającego, głośnę pracę – zarówno ich samych, jak i podłączonych do nich lamp, czyli tzw. lamp sing, duże rozmiary spowodowane koniecznością stosowania sporych cewek tłumiących wspomniane zniekształcenia czy wytwarzanie ogromnych ilości ciepła, które trzeba rozproszyć. Lekarstwem na większość tych „dolegliwości” są nowe konstrukcje, oparte na tranzystorach IGBT, o których szerzej w tym artykule. Zanim jednak do nich przejdziemy, postaram się przekazać kilka wskazówek odnośnie lokalizacji „dimmerowni” oraz napisać parę zdań o diagnostyce i raportowaniu błędów, uszkodzeń, itp.

DIMMEROWNIA

Oczywiście w przypadku imprez plenerowych oraz „występów okazjonalnych”, czyli w tzw. rentalu, stosuje się dimmery przenośne, montowane w racku, i ich rozmieszczenie jest uzależnione od dostępnego miejsca. Powinno się je jednak usytuować odpowiednio daleko od sceny, pamiętając, że są to „generatory” zakłóceń, hałasu i ciepła. Z drugiej strony nie można ich instalować po drugiej stronie miasta, bo trzeba też brać pod uwagę aspekt praktyczny, czyli okablowania i strat z tym związanych. Najczęściej dimmery znajdują swoje miejsce pod sceną albo gdzieś na jej tyłach (w przypadku plenerów miejsce to bezwarunkowo powinno być zadaszone, tak więc umieszczanie ich pod sceną nie jest takim złym pomysłem – byle nie z samego przodu, w sąsiedztwie widowni i/lub systemu nagłośnieniowego).

Jeśli projektujemy nowy lub gruntownie przebudowujemy stary budynek, w którym mieści się teatr, opera, dom kultury, studio telewizyjne czy sala koncertowa lub koncertowo-nagraniowa, wybierając pomieszczenie, gdzie pracować będą dimmery, trzeba – w miarę możliwości – wziąć pod uwagę następujące kwestie.

Po pierwsze, wiedząc, że dimmery są źródłem hałasu, starać się nie instalować ich w pomieszczeniach sąsiadujących ze sceną czy studiem, a jeśli już, to nie montować ich na ścianie oddzielającej dimmerownię od sceny/studia. Starać się też unikać ścian strukturalnych (nośnych), które mogą przenosić zakłócenia akustyczne do pomieszczeń wrażliwych – do studia, na scenę czy widownię. Sprawa nabiera istotnego znaczenia, jeśli planujemy korzystanie z naprawdę dużej liczby dimmerów, bowiem jeśli mamy mieć tylko kilkanaście kanałów, i na dodatek mają to być przenośne dimmery rackowe, to kwestie te przestają mieć takie znaczenie. Niemniej jeśli używamy dimmerów o średniej „gęstości”, montowanych na ścianach, dobrze jest wykorzystać materiały izolujące akustycznie urządzenia te od ściany, na której będą montowane. Tak samo rzecz ma się w przypadku dużych dimmerów „szafowych” – jeśli dimmerownia jest na tym samym poziomie (na tej samej „podłodze”), co scena czy studio, również dobrze jest zainstalować je na warstwie tłumiącej drgania akustyczne i podakustyczne.

Osobna kwestia to odpowiednie zaprojektowanie i zainstalowanie zasilania i dystrybucji sygnałów wyjściowych dimmerów, układów zabezpieczeń, właściwa wentylacja czy wręcz – w przypadku dużej liczby dimmerów i/lub kiepskiej wentylacji – klimatyzacja oraz kwestie przeciwpożarowe. Ale to tematy na osobny artykuł, który może kiedyś pojawi się na łamach LSI.

DIAGNOSTYKA

W rozbudowanych instalacjach, przy naprawdę dużej liczbie dimmerów nieustanne monitorowanie ich pracy jest kłopotliwe dla obsługi, a w zasadzie wręcz niemożliwe. Dlatego niektórzy producenci mają w swojej ofercie również układy, które śledzą pracę dimmerów, diagnozują ich stan i – w razie wystąpienia problemów, np. zadziałania zabezpieczeń, awarii wentylatorów, zaniku sygnału DMX, wystąpienia zwarcia na wyjściu, nieodpowiednich wartości napięć czy prądów – informują o tym odpowiednie osoby.

Systemy diagnostyczne można podzielić na dwie kategorie:

– prowadzące stały monitoring parametrów dimmerów „on-line”, tzn. podczas pracy urządzeń, i raportujące poprzez komputer PC, konsoletę oświetleniową lub sieć
– prowadzące monitoring „off-line”, tj. gdy urządzenia nie pracują, poprzez wykonanie serii odpowiednich testów.

Systemy diagnostyczne drugiego typu są stosunkowo tanie i dostarczają sporo użytecznych informacji, jednak tylko wtedy, gdy dimmery nie pracują. Przeprowadzenie tych testów daje pewność PRZED ich użyciem, że wszystko działa poprawnie. Niestety wszelkie ewentualne problemy już w trakcie używania dimmerów nie będą wykryte przez tego rodzaju system.

Systemy „on-line” są dużo droższe od „off-linie’owych” z uwagi na to, że każdy dimmer (a konkretnie każdy kanał dimmera) jest wyposażony w oddzielne sensory – prądowy i napięciowy. Diagnostyka „on-line’owa” polega na wysyłaniu do systemu diagnostycznego żądania wysłania danych. Ten przeprowadza skanowanie wszystkich podłączonych doń dimmerów (kanałów) i wysyła zestaw odczytanych parametrów do komputera lub konsoli żądającej dostarczenia takich danych. Podczas procesu skanowania każdy dimmer zostaje zdalnie załączony i od tego momentu konsoleta ma możliwość sprawdzenia wartości napięcia i prądu dimmera. Jeśli na wyjściu badanego kanału dimmera zostanie wykryte napięcie oznacza to, że dimmer ten pracuje, a jego zabezpieczenia nie zostały aktywowane, czyli wszystko działa poprawnie. Jeśli napięcie wyjściowe nie zostanie zmierzone może to oznaczać stan wstrzymania pracy (zadziałanie zabezpieczeń lub uszkodzenie) lub po prostu to, że dimmer nie jest w danym momencie wykorzystywany. Tak samo mierzony jest prąd na wyjściu, dzięki czemu można szybko określić wartość obciążenia kanału (np. dla 240 V zmierzony na wyjściu prąd o wartości 4,16 A informuje nas, że podłączone doń obciążenie wynosi 1 kW, 8,33 amperów oznacza podłączenie 2-kilowatowej lampy itd.). Jeśli nie stwierdzono przepływu prądu przez wyjście, to albo nie ma podłączonego doń żadnego urządzenia, albo podłączona lampa jest uszkodzona.

Podobnie można stwierdzić, czy procesor w dimmerze działa poprawnie, co ma miejsce, jeśli dane DMX docierają do adresata, i czy wyjścia są sterowane w odpowiedni sposób. Można również monitorować temperaturę i raportować zagrożenie wystąpienia przegrzania. Systemy diagnostyczne mają w swojej ofercie m.in. takie firmy jak ADB, Colortran, Compulite, Entertainment Technology/ Philips, ETC, IES czy Strand Lighting.

NA SCENĘ WKRACZA IGBT

I tak wreszcie doszliśmy do tematu „tajemniczych” tranzystorów oznaczonych skrótem IGBT, a konkretnie konstrukcji dimmerów wykorzystujących w swoich stopniach mocy te elementy.

Na początek słów parę, co to w zasadzie są te tranzystory IGBT? Nazwa pochodzi od pierwszych liter rozwinięcia tego skrótu, co z angielska brzmi Insulated Gate Bipolar Transistor, czyli – po naszemu – tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Tranzystor IGBT powstał przez połączenie w obszarze monolitycznego materiału półprzewodnikowego tranzystora bipolarnego z tranzystorem polowym typu MOS. Utworzona w ten sposób struktura ma pozytywne cechy obu elementów – łatwość sterowania tranzystorów polowych i wysokie napięcie przebicia oraz szybkość przełączania tranzystorów bipolarnych – i stanowi półprzewodnikowy łącznik przydatny do układów o mocy nawet kilkuset kilowatów i pracujący z częstotliwością przełączania sięgającą 50 kHz. Maksymalne dopuszczalne wartości blokowanego napięcia przekraczają 6 kV, a prądy znamionowe mogą mieć wartości do 4 kA. W czym konstrukcje dimmerów oparte na tranzystorach IGBT są lepsze od „tradycyjnych”, wyposażonych w tyrystory i triaki?

Jak może pamiętamy z poprzednich artykułów, zasada pracy dimmerów konwencjonalnych polega na załączaniu napięcia – w odpowiednim momencie czasu połówki sinusoidy napięcia przemiennego – co odbywa się w sposób raptowny. Taki skok napięcia, w którym osiąga ono wartość od 0 do – w „najgorszym” przypadku – maksymalnej wartości napięcia zasilającego trwa kilka mikrosekund, a więc i jednocześnie równie gwałtownie następuje załączenie przepływu prądu przez obciążenie (lampę). Taka „postrzępiona” sinusoida – gdy poddamy ją analizie częstotliwościowej – bogata jest w wyższe harmoniczne, a dodatkowo raptowny skok napięcia i prądu wywołuje szkodliwe interferencje. Redukowaniem tych szkodliwych zjawisk w dimmerach tyrystorowych i triakowych „zajmuje się” układ tłumiący, czyli – w najprostszej wersji – sporych rozmiarów cewka (dławik), włączona między wyjściem stopnia końcowego dimmera a obciążeniem. Jak nietrudno się domyślić, jest ona niczym przysłowiowa kula u nogi urządzenia, przez co jest ono cięższe, stosunkowo duże gabarytowo i mniej efektywne (dodatkowy spadek napięcia na cewce). Ponadto niezbędne jest wydajne rozpraszanie generowanego w niej ciepła oraz stosowanie odpowiednich elementów, zdolnych do „wytrzymania” tak dużych skoków wartości prądu. Widać więc, że pozbycie się już samej cewki – oczywiście nie kosztem pogorszenia czasu narastania zbocza przedniego i tym samym właściwości dimmera – to kusząca opcja, pozwalająca na zmniejszenie wagi i wymiarów urządzeń oraz właściwości cieplnych.

Pozwala na to właśnie zastosowanie tranzystorów IGBT zamiast tyrystorów i triaków. Zasada pracy takich dimmerów nazywana jest odwrotnym sterowaniem fazy (reverse phase control – w skrócie RPC). Idea ta polega na tym, że napięcie na wyjściu urządzenia rośnie w takt zmian fali sinusoidalnej, a więc załączenie następuje w punkcie, gdzie wykres fali przecina wartość 0, natomiast wyłączenie napięcia (a co za tym idzie przepływu prądu przez obciążenie) następuje w odpowiednim momencie czasu trwania połówki sinusoidy, przy czym jest ono mniej raptowne niż załączanie napięcia w dimmerach tyrystorowych (patrz rysunek).

To sprawia, iż pomimo tego że kształt wyjściowego sygnału sterującego urządzeniami oświetleniowymi jest wciąż daleki od ideału, czyli od „czystej” sinusoidy, gdyż w dalszym ciągu jest „postrzępiony” (a więc w dalszym ciągu zawiera sporo wyższych harmonicznych), to jednak z uwagi na brak występowania gwałtownych skoków wartości prądu płynącego przez obciążenie nie ma konieczności stosowania dużych dławików, a więc nie ma również niepożądanych spadków napięć na tym elemencie. I rzeczywiście, jeśli spojrzymy na średnią wartość parametru „czas narastania” (rise time) dimmerów RPC, którego wartość jest większa od 800 μs, zauważymy, że urządzenia tego typu wypadają nawet lepiej od wysokiej klasy broadcastowych dimmerów tyrystorowych, których czas narastania zawiera się w granicach 400-600 mikrosekund, przy czym dławiki w nich stosowane są naprawdę ogromne. Tak duża wartość rise time sprawa, że urządzenia oświetleniowe podłączone do wyjść dimmerów RPC nie „śpiewają”, tzn. do minimum zostały ograniczone drgania żarników lamp. Oprócz cichej pracy lamp zyskujemy tu również na wydłużeniu czasu ich „życia”, bowiem żarniki narażone na nieustanne drgania podlegają naprężeniom, co nie wpływa pozytywnie na ich żywotność.

Co prawda efektywność dimmerów z tranzystorami IBGT jest mniejsza niż dimmerów tyrystorowych, bowiem spadek napięcia na tranzystorach wynosi ok. 3,5 V, w porównaniu z 0,7-woltowym spadkiem na tyrystorach, dotyczy to jednak „czystych” dimmerów, tzn. bez uwzględnienia dławika tłumiącego zakłócenia interferencyjne. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę również spadek napięcia na tym elemencie, a przecież jest on w zasadzie nieodłączną częścią składową dimmerów, okaże się, że efektywność dimmerów IGBT jest wyższa od takiej hybrydy (spadek napięcia odnotowany na wyjściu dimmera wyposażonego w dławik tłumiący to średnio 8-10 V).

Reasumując, do zalet dimmerów RPC z tranzystorami IGBT należy zaliczyć mniej ciepła koniecznego do rozproszenia, mniejsze zakłócenia interferencyjne i akustyczne wywoływane przez podłączone do nich urządzenia oświetleniowe oraz mniejsza waga i gabaryty. OK, a wady?

Są, a jakże. Pierwsza i najistotniejsza to cena, która jest wyższa niż dimmerów „klasycznych”, co często jest niestety czynnikiem decydującym o zakupie, bądź nie, urządzenia. Ponadto dimmery RPC mogą bezkonfliktowo współpracować z lampami żarowymi oraz niskonapięciowymi transformatorami (generalnie – z obciążeniami rezystancyjnymi i pojemnościowymi), jednak są bezużyteczne w przypadku obciążeń indukcyjnych. Neony, balasty magnetyczne, wentylatory i małe silniki elektryczne generują destrukcyjną energię wsteczną, gdy są „zasilane” z dimmerów RPC. W przypadku tego typu obciążeń, jeśli dimmer nie ma opcji przełączenia w tryb FPC (forward phase control), czyli taki, jak w „klasycznych” dimmerach tyrystorowych, nie powinny one być używane.

DIMMERY SINUSOIDALNE

To nie koniec „nowości” w technologii ściemniania światła i nie koniec rozwiązań, w których znalazły swoje miejsce tranzystory IBGT. Pomimo licznych zalet dimmerów RPC wciąż mamy do czynienia z sygnałem zasilającym urządzenia podłączone do wyjść dimmera, który dalece odbiega swoim kształtem od sinusoidy, a więc jest mocno „zanieczyszczony” wyższymi harmonicznymi. Kolejnym krokiem w rozwoju urządzeń służących do kontrolowania intensywności światła jest konstrukcja, która właśnie taki przebieg napięcia sterującego zapewnia – dimmer sinusoidalny (sine wave dimmer). Jak działa takie „ustrojstwo”?

Ideę pracy dimmera sinusoidalnego można w skrócie opisać dwoma słowami – „elektroniczny autotransformator”. Wykorzystuje się do tego technologię modulacji szerokości impulsu (PWM – pulse width modulation), powszechnie stosowaną np. w cyfrowych wzmacniaczach akustycznych. Polega ona na „poszatkowaniu” z częstotliwością – typowo – 30-50 kHz przebiegu sinusoidalnego na wiele impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie i zmiennej szerokości, odpowiadającej aktualnej wartości amplitudy sygnału analogowego (napięcia). Oczywiście, aby na wyjściu takiego układu znów otrzymać „gładki” sygnał, w naszym przypadku sinusoidalny, trzeba zastosować filtrację sygnału, przy czym filtry wyjściowe stosowane w dimmerach sinusoidalnych są nieporównywalnie mniejsze niż w dimmerach tyrystorowych i triakowych.

A’propos nazewnictwa – tak naprawdę „dimmer sinusoidalny” nie jest precyzyjnym określeniem tego urządzenia, bowiem nie tylko sygnał sinusoidalny można otrzymać na jego wyjściu. Jeśli sygnałem wejściowym jest np. prostokąt, taki też kształt sygnału otrzymamy na wyjściu. Generalnie – co wchodzi, to samo wychodzi, tylko z inną, regulowaną przez użytkownika amplitudą. Może nie idealnie to samo, ale na przykład w przypadku najbardziej nas interesującego sygnału sinusoidalnego zniekształcenia (czyli procent zawartości wyższych harmonicznych) są rzędu 1-2%, a więc naprawdę bardzo małe!

Z uwagi na to, że w dimmerach sinusoidalnych tranzystory IGBT pracują w formie szybkich przełączników, tylko w stanach – mówiąc bardzo ogólnie – otwarcia lub zamknięcia, ich efektywność jest bardzo wysoka, rzędu 98% dla napięcia 230 V i 96% dla 120 VAC. Są więc bardziej wydajne niż dimmery również wyposażone w tranzystory IGBT, ale pracujące na zasadzie regulacji fazy (czyli opisywane wcześniej RPC i FPC).

ZALETY DIMMERÓW SINUSOIDALNYCH

Jak widać, dimmery sinusoidalne uwalniają nas od problemów związanych z występowaniem dużych zniekształceń sygnału zasilającego układy oświetleniowe i hałasu samych dimmerów, jak i żarników lamp, którymi sterują. Jedyny hałas emitowany przez same urządzenia to wentylatory. Pozwala to na mniej rygorystyczne podejście do wyboru miejsca ustawienia/ instalowania dimmerów, a większość zasad opisanych na początku artykułu (dotyczących „dimmerowni”) przestaje mieć znaczenie, gdy dysponujemy „sinusami”. Ale to nie wszystkie ich zalety. Z uwagi na konieczność zastosowania w nich zaawansowanych technologii cyfrowych mogą one oferować dodatkowe funkcje, których nie znajdziemy w dimmerach klasycznych. Na przykład ciągłe monitorowanie obciążenia oraz odpowiednią, automatyczną reakcję na wystąpienie niepożądanych zjawisk, np. chwilowych zwarć, pozwalając urządzeniu wrócić do pełnej funkcjonalności po ustąpieniu zjawiska. Tak więc, choć dimmery sinusoidalne z uwagi na wymogi prawne są wyposażone w zabezpieczenia w postaci bezpieczników czy wyłączników nadprądowych, w zasadzie bardzo rzadko zdarza się, aby były one potrzebne, a ich zadziałanie ma miejsce tylko w przypadku wystąpienia jakiejś poważnej awarii.

W przypadku dimmerów SCR efektywność filtracji harmonicznych i szkodliwych interferencji jest w dużym stopniu uzależniona od jakości dostarczonego napięcia zasilającego. Dimmery sinusoidalne ze swej natury dość łatwo dostosowują się do nawet kiepskiej jakości zasilania, w czym wydatnie pomaga zasilacz impulsowy, który jest integralną częścią tego typu urządzeń.

Pracując z dimmerami klasycznymi, jeśli zachodzi potrzeba ściemniania urządzeń o niższym napięciu zasilania niż standardowe 230 V, niezbędne będzie użycie transformatora. To zwiększa koszty, wymaga dodatkowego miejsca, a także – podobnie jak w przypadku filtrów dławikowych – jest powodem zakłóceń akustycznych. W przypadku dimmerów sinusoidalnych użytkownik sam może określić maksymalną wartość napięcia wyjściowego, dzięki czemu można doń bezpośrednio podłączyć urządzenia pracujące z napięciem 12 V, 24 V, 28 V, 80 V, itd.

Jeśli chcemy podłączyć urządzenie inteligentne, które potrzebuje „czystego” napięcia zasilającego, wymaga to zainstalowania w panelu dystrybucyjnym osobnych przyłączy regulowanych i nieregulowanych – oczywiście gdy dysponujemy tylko dimmerami SCR. Wynika to stąd, iż nawet przy regulatorach ustawionych „na maksa” występują straty sygnału – choćby po przejściu przez dławik wyjściowy – a nawet minimalne zmniejszenie napięcia wyjściowego wiąże się z istotnym wzrostem zniekształceń, co dla urządzeń inteligentnych może być nie do zaakceptowania. Do wyjść dimmerów sinusoidalnych można ze spokojnym sercem podłączać tego typu urządzenia, bowiem mamy pewność uzyskania niezakłóconego sygnału sinusoidalnego, dodatkowo z kompensacją napięcia sieci. I nawet w przypadku nieumyślnego zmniejszenia napięcia na wyjściu w dalszym ciągu zachowa ono kształt sinusoidalny i nie wywoła żadnych negatywnych „działań” ze strony podłączonej lampy (w najgorszym wypadku wyłączy się ona, gdy napięcie zostanie zbytnio zmniejszone).

Mało tego, w przypadku np. braku możliwości zainstalowania balastu w miejscu pracy urządzenia z lampą wyładowczą (wynikającą choćby z braku miejsca na wielgachny balast) nie musimy łączyć ich długimi, nieporęcznymi (i drogimi) kablami – dimmer sinusoidalny doskonale sprawdzi się w tej roli, oczywiście pod warunkiem, że weźmiemy pod uwagę jego możliwości prądowe. Również lampy z zimną katodą oraz neonowe można zasilać z dimmerów sine wave.

Oczywiście są i wady, a w zasadzie jedna – dimmery sinusoidalne są dużo, dużo droższe od tradycyjnych tyrystorowych i triakowych. Wynika to z dość skomplikowanej technologii ich wykonania, ale również i z tego, że jest to w dalszym ciągu „nowość”. Wydaje się jednak, że tak czy siak przyszłość należy właśnie do tego typu urządzeń, a układy tyrystorowe powoli zaczną odchodzić do lamusa. A gdy nowa konstrukcja już nieco „okrzepnie” i coraz więcej producentów będzie miało w swojej ofercie ten typ dimmerów, również i cena zacznie spadać do poziomu jeśli nie zbliżonego do obecnych konstrukcji opartych na tyrystorach i triakach, to przynajmniej będących w zasięgu nie tylko tych „najbogatszych”, ale również „zwykłych śmiertelników”. Czego – na koniec – Wam i sobie również życzę.

Jacek Sitarski